面向創新設計的逆向工程技術研究

周小東，成思源，楊雪榮

(1．廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006;2．廣東省創新方法與決策管理系統重點實驗室，廣東廣州 510006)

0 前言

數字化浪潮推動社會飛速發展，世界范圍內的競爭將日趨激烈，尤其是工業領域的競爭更加白熱化，企業必須充分吸收和利用現代高新技術成果以增強它們的競爭能力，產品創新設計是工業企業，尤其是制造業必須邁過的第一道門檻［1］。競爭的特征也發生了變化，當今社會正處于由工業經濟時代邁向知識經濟時代的進程中，在知識經濟時代，決定制造業競爭力的關鍵是新產品的快速開發能力，企業新產品開發能力決定其市場競爭能力［2］。逆向工程技術是制造業實現產品快速設計創新的重要途徑，對于提高產品的競爭力和滿足個性化的需要有著重要的意義。

1 面向創新設計的逆向工程

隨著逆向工程技術的不斷發展，逆向工程已經成為聯系新產品開發過程中各種先進技術的紐帶，被廣泛應用于家用電器、汽車、摩托車、飛機、模具等產品的改型與創新設計，成為消化、吸收先進技術，實現新產品快速開發的重要技術手段［3］。面向創新設計的逆向工程是一個“實物原型—還原實物—新產品”的過程，也是一種綜合運用多種先進技術，以實現創新、提高產品設計品質新的設計方法。再設計過程是實現創新的基礎，為了方便產品的再設計，首先在逆向建模時應構建出符合原始設計意圖的并可方便后續修改的數字模型，然后對于不同模型提供方便再設計的各種手段［4］。本文作者提出了逆向工程技術中混合建模再設計和正逆向軟件相結合的兩種再設計方法，即提出了處理表面數字化后的模型的兩種途徑，其一是先經過逆向過程中的前處理過程，包括點云預處理、多邊形階段處理、擬合出面等操作，然后再借助正向設計軟件經過正向處理過程，包括編輯曲面、創建實體等操作，最后完成整個實體的重建;其二是在一個逆向工具中完成整個模型的重建，該逆向工具融合了正逆向設計的特點，包括數據的預處理、點云網格化、特征的提取和編輯等操作。在這兩種途徑中都可以完成模型的再設計過程，最后將再設計后的實體模型進行快速制造，生產出新的產品。在此基礎上，將逆向工程再設計獲得的參數化模型與創新設計、快速成型相結合，從而實現面向創新設計的逆向工程流程，如圖1所示。

圖1 面向創新設計的逆向工程流程

2 基于逆向工程的再設計方法

2．1 基于正逆向軟件相結合的再設計

基于正逆向軟件相結合的再設計是在沒有產品原始數據的情況下，通過三維測量技術獲得產品表面的點云數據，然后借助逆向建模的軟件，將獲得的點云數據經過一系列的預處理得到光順的曲面，并保存為通用的格式，最后將這些曲面導入正向三維CAD設計軟件中進行裁剪、延伸等操作，完成實體的再設計過程，并得到產品的CAD模型。在文中介紹了逆向建模軟件Geomagic Studio和正向設計軟件SolidWorks在基于正逆向軟件相結合的再設計過程，并給出了設計流程圖，Geomagic Studio逆向建模流程如圖2(a)所示，正向CAD建模軟件SolidWorks建模流程如圖2(b)所示［5］。

圖2 正逆向軟件相結合的建模流程

從逆向建模的流程圖可以看出，逆向軟件Geomagic Studio在擬合曲面階段，能夠很好的保證曲面表面的重構精度，同時這一過程為參數化的過程，有利于模型在正向軟件中進行再設計，當將曲面導入正向軟件SolidWorks中，不僅能方便地編輯曲面，而且在創建實體時，能夠進行草圖的繪制和特征的修改。

2．2 基于逆向工程的混合建模設計

混合建模是指在同一軟件工具中完成正逆向相結合的建模與再設計過程。在文中介紹的正逆向混合設計過程中用到的逆向工具是Geomagic Design Direct，它是一款新的逆向軟件，Geomagic Design Direct內置了業界最強大的掃描數據處理和編輯工具以及豐富的直接建模CAD軟件包，它在一個完整的軟件包中無縫結合了即時掃描數據處理、CAD設計、功能強大的三維點和網格編輯、裝配構造和二維草圖創建。Geomagic Design Direct的建模優勢在于其融合了逆向建模技術和正向設計方法的長處，具有強大的基于三維網格面模型的截面線特征與規則特征的提取編輯功能，以及基于二維截面與實體特征的正向設計建模功能。可以直接對原始掃描數據進行幾何形狀重構得到原產品的實體CAD模型，能夠準確還原原始的設計意圖，并通過正向建模工具對實體特征及其相互之間的約束關系進行編輯修改以實現再設計。在Geomagic Design Direct中混合建模流程如圖3所示。

圖3 Geomagic Design Direct中混合建模流程圖

基于Geomagic Design Direct的逆向建模，所提取的特征為參數化的特征，有利于實體的再設計過程，從流程圖的再設計部分，可以看出，在軟件中能方便地快速修改設計、清理損壞的幾何體、調節尺寸、新建2D繪圖以及更多操作，提高了實體建模的效率。

3 基于優化仿真的創新設計

仿真優化技術是實現傳統制造向可預測制造、科學制造轉變的關鍵技術，已經引起科學界和企業界的廣泛關注［6］。在逆向工程中，通過再設計的方法構造出原型的CAD模型，對有些使用要求較高的零件，并不能直接加工出來使用，往往需要將反求出來的CAD模型導入一些仿真系統中，比如機械中常用的ANSYSWorkbench、Dynaform等，并給定其約束，求出仿真結果，并對其參數進行優化到合理的情況下才生產出來使用。首先將重建的CAD模型導入到仿真軟件中，在前處理過程中，可以建立有限元模擬的模型，比如劃分網格、設置密度、材料的類型、載荷等，前處理操作完成后，提交求解器進行仿真計算，然后在后處理器中，可以查看分析計算的結果，比如位移應力云圖，通過查看后處理結果，來評價重構后的模型，具體流程圖如圖4所示。如果未能達到要求，可以根據仿真的結果在對參數化模型進行優化后再進行仿真驗證，直到滿足要求為止，如果處理的模型滿足要求，可以在此基礎上進行創新設計，比如在結構或者功能上進行改進，最后可以輸出新的模型結果。

圖4 仿真優化流程圖

4 快速成型

快速成型(Rapid Prototyping簡稱RP)技術是20世紀80年代中期發展起來的一種全新先進制造技術，其主要是通過把合成材料堆積起來生成的形狀加工技術，由于RP技術可將CAD的設計構想快速、精確而又經濟地生成可觸摸的物理實體、從而可以對產品設計進行快速評估、修改、和部分的功能試驗，有效地縮短了產品研發周期，以快速提供市場需要的產品［7］。根據成型方法的不同，快速成型技術一般可以分為兩個種類，一種是基于激光或其他光源的成型技術，主要有光固化成型(SL)、選擇性激光燒結(SLS)、分層實體制造(LOM)、形狀沉積成型(SDM)等;另一種為基于噴射的成型技術，主要有熔融沉積成型(FDM)、3D打印、多相噴射沉積(MJD)［8］。

在快速成型的技術中，其核心是將復雜的三維特征轉化成二維的橫截面加工過程，逆向工程與快速成型的制造技術的結合過程就是在已有模型的基礎上，通過逆向工程的關鍵技術重構出原型的CAD模型，并進行快速制造獲得其物理模型，可以通過對物理模型的檢測來評價其重構質量，其結合流程圖如圖5所示［9］。這一結合的技術將從根本上改變傳統產品的開發設計、制造模式，解決了一些復雜形體的三維建模，難以加工出實物模型的問題，形成了一個包括設計、制造、檢測的快速設計制造閉環反饋系統，這就大大縮短了產品的設計、生產周期［10］。從而快速實現創新設計產品的開發。

圖5 逆向工程與快速成型流程圖

5 應用實例

在文中采用案例的是一支架模型，選擇在Geomagic Design Direct中實現混合建模，完成再設計過程，通過三維掃描設備獲取其表面的兩片點云數據如圖6(a)、6(b)所示，然后導入到Geomagic Design Direct中進行數據預處理，首先選擇“對齊對象”將兩組點云數據對齊并優化，對齊后的完整點云數據如圖6(c)所示，接著將對齊的點云經過一系列的著色、采樣、降噪后，選擇“封裝”，將點云轉化成多邊形網格，同時選擇“合并”將兩片多邊形網格合并成一整體的多邊形網格如圖6(d)所示，然后將多邊形網格面傳送到設計窗口中提取特征，在提取特征的過程中，設計者可以根據需要選擇在“草圖”模式下對其截面線進行編輯、再設計操作如圖7(a)所示，先重構出支架的主要輪廓，最后選擇“拉動”命令，將兩個分開的部分融合成一整體，并對有些結構處進行圓角處理如圖7(b)所示，最終的模型如圖8所示。

圖6 點云數據預處理

圖7 支架再設計過程

圖8 重構后的支架

在實例中選擇了其中一種再設計的途徑，通過實例可以看出，在設計的過程中，可以編輯和修改截面線特征，同時在后期可以在結構上進行一些創新設計，比如圓柱體的長度，根據仿真計算增加支架上端的接觸面以增加其承受載荷等以滿足不同的需要，待模型重建完成后，可以保存為STL文件，然后把STL文件輸入到快速成型機里面，經過快速成型技術可以得到實物模型，這樣就可以對模型的各方面進行直觀的評價，有助于加快產品開發的流程。

6 結論

逆向工程在實現快速產品創新設計中有著重要的意義，還原實物僅僅是逆向工程的初步階段，更為重要的是基于原型的再設計、再分析、再創造，從而實現產品的創新設計，文中對逆向工程中的再設計方法進行了研究，提出了基于正逆向軟件相結合的及混合建模的兩種逆向工程再設計方法，并通過實例說明了其再設計過程，同時可以將再設計的結果進行仿真優化與快速制造，有助于產品的創新設計，從而實現“還原實物—再設計—快速制造”的整個創新設計的思路，對面向創新設計的逆向工程技術發展有一定的借鑒意義。

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［5］蔡敏，成思源，楊雪榮，等．基于逆向工程的混合建模技術研究［J］．制造業自動化，2014，36(5):120-123．

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